JP5805317B2 - Heat pump device, air conditioner and refrigerator - Google Patents
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Description
本発明は、圧縮機を用いたヒートポンプ装置に関し、特に、空気調和機や冷凍機、温水機などに適用されるヒートポンプ装置に関する。 The present invention relates to a heat pump apparatus using a compressor, and more particularly to a heat pump apparatus applied to an air conditioner, a refrigerator, a hot water machine, and the like.
従来のヒートポンプ装置として、空気調和機の暖房開始時の立ち上がりスピードを向上させるために、暖房時の運転停止中に高周波の低電圧を圧縮機に供給するものがある(例えば、特許文献1参照)。同様の技術として、空気調和機の周囲温度が低温状態を検知した際に、通常運転時より高周波数の単相交流電圧を圧縮機に供給するものがある(例えば、特許文献2参照)。 As a conventional heat pump device, there is one that supplies a high-frequency low voltage to a compressor during operation stop during heating in order to improve the rising speed at the start of heating of the air conditioner (see, for example, Patent Document 1). . As a similar technique, there is one that supplies a single-phase AC voltage having a higher frequency than that during normal operation to the compressor when the ambient temperature of the air conditioner is detected as being low (see, for example, Patent Document 2).
また、冷媒寝込み現象の発生を防止するために圧縮機を予備加熱する拘束通電において、圧縮機モータの駆動信号として、二相変調方式のPWM(Pulse Width Modulation)出力にて、所定の位相角で静止した出力を行う信号を生成するものがある(例えば、特許文献3参照)。 Also, in the restraint energization that preheats the compressor to prevent the occurrence of the refrigerant stagnation phenomenon, as a drive signal of the compressor motor, a two-phase modulation type PWM (Pulse Width Modulation) output at a predetermined phase angle Some generate a signal that performs a stationary output (see, for example, Patent Document 3).
一般的に圧縮機への寝込み防止対策として、圧縮機の運転停止中は、ヒーターによって圧縮機内を加熱したり、インバータによって圧縮機モータの巻線に拘束通電(圧縮機モーターを駆動しない電圧)して、圧縮機内を加熱している。しかしながら、運転停止中に圧縮機内の加熱のために電力を常に消費し、待機電力が増大するという課題があった。そこで、従来の圧縮機の加熱制御では、外気温度検出器によって外気温度を検出し、検出された外気温度が所定値以上となった場合に拘束通電またはヒーターによる加熱を停止して消費電力を低減している(例えば、特許文献4参照)。 In general, as a measure to prevent stagnation in the compressor, when the compressor is stopped, the inside of the compressor is heated by a heater or the compressor motor windings are energized with restraint (voltage that does not drive the compressor motor) by an inverter. The inside of the compressor is heated. However, there is a problem that power is always consumed for heating in the compressor during operation stop, and standby power is increased. Therefore, in conventional compressor heating control, the outside air temperature is detected by an outside air temperature detector, and when the detected outside air temperature exceeds a predetermined value, the energization or heating by the heater is stopped to reduce power consumption. (For example, refer to Patent Document 4).
また、上記の方式は外気温度やその他の部分の温度を検出することで、圧縮機内の冷媒状態を予測するものであるが、圧縮機に冷媒状態を検出するセンサを設置することで直接的に冷媒状態を検出する方式がある。この方式は、圧縮機を加熱するヒーターと、冷媒と冷凍機油の電気抵抗を検知する絶縁抵抗センサとを備え、そのセンサによって検出された絶縁抵抗値が所定値以下となった場合にヒーターに通電し、冷凍機油を加熱することで冷媒の二相分離を防止する。また、絶縁抵抗値が所定値以上となった場合には、ヒーターへの通電を停止して消費電力の低減を図っている(例えば、特許文献5参照)。 In addition, the above method is to predict the refrigerant state in the compressor by detecting the outside air temperature and the temperature of other parts, but directly by installing a sensor for detecting the refrigerant state in the compressor. There is a method for detecting the refrigerant state. This method includes a heater that heats the compressor and an insulation resistance sensor that detects the electrical resistance of the refrigerant and the refrigeration oil, and the heater is energized when the insulation resistance value detected by the sensor falls below a predetermined value. Then, two-phase separation of the refrigerant is prevented by heating the refrigerator oil. In addition, when the insulation resistance value is equal to or greater than a predetermined value, the power supply to the heater is reduced by stopping energization to the heater (see, for example, Patent Document 5).
上記の特許文献1および2では、外気温度の低下に応じて圧縮機に高周波の交流電圧を印加することで圧縮機を加熱もしくは保温し、圧縮機内部の潤滑作用を円滑にする技術が示されている。
In
しかしながら、特許文献1には高周波の低電圧についての詳細な記載がなく、ロータの停止位置に依存する出力変化を考慮していないため、所望する圧縮機の加熱量を得られないおそれがある、という問題があった。
However,
一方、上記特許文献2には、25kHzといった高周波の単相交流電源にて電圧を印加することが記載されているとともに、可聴域を外れることによる騒音抑制、共振周波数を外れることによる振動抑制、巻線のインダクタンス分による小電流化での入力低減と温度上昇防止、圧縮機の回転部の回転抑制といった効果が示されている。
On the other hand,
しかしながら、特許文献2の技術では、高周波の単相交流電源であるため、特許文献2の図3に示されるように全てのスイッチング素子がオフとなる全オフ区間が比較的長く発生することになる。このとき、高周波電流は還流ダイオードを介して電動機を還流せずに直流電源に回生され、オフ区間の電流の減衰が早く、電動機に効率的に高周波電流が流れずに圧縮機の加熱効率が悪くなる、という問題があった。また、小型で鉄損の小さなモータを用いた場合に、印加電圧に対する発熱量が小さくなり使用可能範囲内の電圧で、必要な加熱量を得られないという問題もある。
However, since the technique of
また、特許文献3には、モータ巻線に直流電流を流す拘束通電を行うことにより、ロータが回転しないようにして予熱を行う技術が開示されている。
しかしながら、近年のモータの高効率設計によりモータの巻線抵抗が小さくなる傾向にあり、特許文献3に示すモータ巻線に直流電流を流す予熱方法の場合、発熱量が巻線抵抗と電流の二乗で得られるため、巻線抵抗が減少した分、電流が増加することとなる。その結果、インバータの損失増大による発熱が問題となり、信頼性の低下や放熱構造へのコスト増加という別の問題が発生する。
However, recent motor high-efficiency designs tend to reduce motor winding resistance. In the preheating method shown in
また、特許文献4に記載された圧縮機の加熱制御は、外気温度によって圧縮機の加熱時間を短縮し、運転停止中の消費電力を低減しているが、外気温度から圧縮機内部の冷媒状態を予測するものであり、確実に冷媒状態を検出するものではない。運転停止中における冷媒回路内の冷媒は最も低温の部分に集まる特性があり、室内機と室外機の温度差が大きくなる外気温度が低いときに圧縮機へ冷媒が溜まり込むことが多い。しかしながら、室外機の冷媒回路内の温度差によって外気温度が高い場合でも室外機の冷媒回路内において、圧縮機の温度が最も低くなる状態がある。また、外気温度が低い場合でも室外機の冷媒回路内において、圧縮機よりも室外熱交換器のほうが低温になり、圧縮機へ冷媒が溜まり込まない場合がある。そのため、実際には圧縮機の加熱が必要ではない(冷媒寝込みが発生していない)時にも圧縮機内を加熱しているため無駄な電力を消費している。また、実際には圧縮機の加熱が必要である冷媒寝込みが発生している時に圧縮機の加熱を停止してしまうことによって圧縮機の軸破損などの不具合が発生するおそれがある。
Moreover, although the heating control of the compressor described in the
また、特許文献5に記載の冷凍装置では、圧縮機の給油管の下方に絶縁抵抗センサを設置し、冷媒と冷凍機油の二相分離を絶縁抵抗によって検出するようにしている。絶縁抵抗が所定値以下になった時のみヒーターに通電を行い、冷凍機油を加熱することで停止中の消費電力を低減している。しかしながら、絶縁抵抗を精度良く検出するためには高コストな絶縁抵抗センサが必要となるといった課題がある。
Moreover, in the refrigeration apparatus described in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定的に圧縮機を加熱することが可能なヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機を得ることを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at obtaining the heat pump apparatus, air conditioner, and refrigerator which can heat a compressor stably.
また、必要な加熱を効率的に実現することが可能なヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機を得ることを目的とする。 Moreover, it aims at obtaining the heat pump apparatus, air conditioner, and refrigerator which can implement | achieve required heating efficiently.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機構と前記圧縮機構を駆動するモータとを有する圧縮機と、前記モータを駆動する電圧を印加するインバータと、前記圧縮機の温度を検知する複数の温度センサと、を備え、前記圧縮機を通常運転して冷媒を圧縮する通常運転モードと、前記モータへ前記通常運転モードより高周波数の電圧を印加することにより前記圧縮機を加熱運転する加熱運転モードとを有し、前記加熱運転モードにおいて、前記複数の温度センサにより検知された温度に応じて前記電圧を生成する。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention includes a compressor having a compression mechanism that compresses a refrigerant and a motor that drives the compression mechanism, and an inverter that applies a voltage that drives the motor. , and a plurality of temperature sensors for detecting the temperature of the compressor, applied a normal operation mode for compressing refrigerant to the compressor to normal operation, the voltage of the high frequency higher than the normal operation mode to the motor And a heating operation mode for heating the compressor. In the heating operation mode, the voltage is generated according to the temperatures detected by the plurality of temperature sensors.
本発明にかかるヒートポンプ装置は、安定的、効率的に圧縮機を加熱して冷媒寝込み現象を回避することができ、省エネルギーを実現できるという効果を奏する。 The heat pump device according to the present invention can stably and efficiently heat the compressor to avoid the refrigerant stagnation phenomenon, and can achieve energy saving.
以下に、本発明にかかるヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a heat pump device, an air conditioner, and a refrigerator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は、本発明にかかるヒートポンプ装置の実施の形態1の構成例を示す図である。本実施の形態のヒートポンプ装置100は、例えば空気調和機を構成し、圧縮機1、四方弁2、熱交換器3、膨張機構4および熱交換器5が、冷媒配管6を介して、順次接続された冷凍サイクルを備える。圧縮機1の内部には冷媒を圧縮する圧縮機構7と、この圧縮機構7を動作させるモータ8とが設けられている。モータ8は、U相,V相,W相の三相の巻線を有する三相モータである。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a first embodiment of a heat pump device according to the present invention. The
モータ8に電圧を与え駆動させるインバータ部9は、モータ8と電気的に接続されている。インバータ部9は、直流電圧(母線電圧)Vdcを電源とし、モータ8のU相,V相,W相の巻線に電圧Vu,Vv,Vwをそれぞれ印加する。インバータ部9には、インバータ制御部10が電気的に接続されている。インバータ制御部10は、通常運転モード制御部11と、冷媒推定部14および高周波通電部13を有する加熱運転モード制御部12と、駆動信号生成部15と、周囲温度検知部31と、冷媒量判定部(加熱運転開始時)30とを備えており、インバータ部9を駆動するための信号(たとえばPWM信号)をインバータ部9へ出力する。
An
インバータ制御部10において、通常運転モード制御部11は、ヒートポンプ装置100が通常の動作を行う場合に使用される。通常運転モード制御部11は、駆動信号生成部15を制御することにより、モータ8を回転駆動させるためのPWM信号をインバータ駆動信号として出力させる。
In the
加熱運転モード制御部12は、圧縮機1を加熱する場合に使用される。加熱運転モード制御部12は、駆動信号生成部15を制御することにより、モータ8が追従できない高周波電流(高周波電圧)を流してモータ8を回転駆動させることなく圧縮機1を加熱するためのPWM信号を、インバータ駆動信号として出力させる。その際、高周波通電部13は、冷媒量推定部14において圧縮機1の温度を検知する温度センサ35a,35bからの信号により推定された冷媒量の推定結果に基づいて、駆動信号生成部15を制御する。そして、駆動信号生成部15が高周波通電部13からの制御に基づいてPWM信号を出力してインバータ部9を駆動することで、圧縮機1に滞留した液冷媒を短時間で温めて気化させ、圧縮機1外部へ排出させる。
The heating operation
図2は、ヒートポンプ装置の要部構成の一例を示す図である。図示したように、インバータ部9は、母線電圧Vdcを電源とし、6つのスイッチング素子(21a,21b,21c,21d,21e,21f)を備え、上側(上側素子を表す文字をPとする)と下側(下側素子を表す文字をNとする)のスイッチング素子で構成される直列接続部が並列に3個接続された回路である。インバータ部9は、インバータ制御部10から入力される駆動信号であるPWM信号(UP,UN,VP,VN,WP,WN)に従い、それぞれに対応したスイッチング素子を駆動することで、三相の電圧Vu,Vv,Vwを発生させ、モータ8のU相,V相,W相の巻線それぞれに電圧を印加する。なお、インバータ部9の入力側(母線電圧Vdcの供給側)にはVdcを検知するための電圧センサ36が設けられている。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a main configuration of the heat pump device. As shown in the figure, the
インバータ制御部10は、図1に示した加熱運転モード制御部12を構成している冷媒量推定部14および高周波通電部13と、駆動信号生成部15とを備える。冷媒量推定部14は温度検出回路部27および冷媒量判定部28を備える。高周波通電部13は加熱指令部29を備える。また、インバータ制御部10は、周囲温度検知部31、周囲温度検知部からの信号により冷媒量を判定する冷媒量判定部(加熱運転開始時)30を備える。駆動信号生成部15は電圧指令値生成部25およびPWM信号生成部24を備える。なお、図2では、本実施の形態のヒートポンプ装置において特徴的な動作を行う構成要素のみを記載するようにしており、図1に示した通常運転モード制御部11については記載を省略している。
The
加熱運転モード制御部12(冷媒量推定部14および高周波通電部13)は、加熱運転モードにおける高周波電圧指令Vkおよび高周波位相指令θkを生成し、駆動信号生成部15へ入力する。
The heating operation mode control unit 12 (the refrigerant
駆動信号生成部15において、電圧指令値生成部25は、高周波通電部13から入力される高周波電圧指令Vkおよび高周波位相指令θkに基づいて、三相(U相,V相,W相)それぞれの電圧指令Vu*,Vv*,Vw*を生成する。PWM信号生成部24は、三相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*に基づいてPWM信号(UP,VP,WP,UN,VN,WN)を生成してインバータ部9を駆動することにより、モータ8に電圧を印加させる。このとき、モータ8のロータが回転しないような高周波電圧を印加させ、モータ8を備えている圧縮機1(図1参照)を加熱する。なお、駆動信号生成部15は、ヒートポンプ装置が通常運転モードで動作する場合にもPWM信号を生成する。その場合のPWM信号生成方法は、入力される情報(上記のVk,θkに相当する情報)が異なる以外は、加熱運転モード時で動作する場合と同様である。
In the drive
以下、実施の形態1のヒートポンプ装置の特徴的な動作について詳しく説明する。冷媒量推定部14は、複数の温度センサ35a,35bにより検出された温度間の差分情報や、初期温度との差分情報により冷媒量を推定する。温度センサ35a,35bからの検出信号は、温度検出回路部27へ入力され、温度検出回路部27は、温度センサ35a,35bの検出結果に基づいて温度センサ35a,35bにより検出された温度間の差分(差分情報)または初期温度との差分(差分情報)を求め、差分情報は冷媒量判定部28へと入力される。冷媒量判定部28は、入力された差分情報に基づいて冷媒状態(冷媒量)を推定し、推定結果を加熱指令部29へ出力する。温度センサ35a,35bの検知タイミングは初期及び加熱中も常に行われるものとする。なお、本実施の形態においては、温度センサ35a,35bの位置および個数ついては特に規定しない。圧縮機の温度を検知可能であり、かつ、複数の温度センサにより差分情報が得られればよい。
Hereinafter, the characteristic operation of the heat pump apparatus of
また、周囲温度検知部31は、外気温度(周囲温度)を検出し、検出結果を冷媒量判定部(加熱運転開始時)30に入力する。冷媒量判定部(加熱運転開始時)30は、外気温度に基づいて冷媒状態(冷媒量)を推定する。
In addition, the ambient
従来、外気温度から圧縮機内部の冷媒状態を予測し、外気温度が所定値以上の場合は冷媒が寝込み状態にあると判定する手法がある。本実施の形態の周囲温度検知部31および冷媒量判定部(加熱運転開始時)30は、このように外気温度に基づいて冷媒が寝込み状態にあるか否かを判定する。しかしながら、このように外気温度に基づいた推定は、確実に冷媒状態を検出するものではない。特に、運転停止中における冷媒回路内の冷媒は最も低温の部分に集まる特性があり、室内機と室外機の温度差が大きくなる外気温度が低いときに圧縮機へ冷媒が溜まり込むことが多い。
Conventionally, there is a method of predicting the refrigerant state inside the compressor from the outside air temperature, and determining that the refrigerant is in a stagnation state when the outside air temperature is equal to or higher than a predetermined value. The ambient
そこで、本実施の形態では、複数の温度センサ35a,35bにより、圧縮機1の温度を検知し、運転停止中においても冷媒状態を正確に把握できるようにしている。例えば、加熱運転を開始するか否かについては外気温度に基づく冷媒状態の推定結果を用いて判定し、加熱運転時の高周波位相指令θkについては、複数の温度センサ35a,35bにより求めた冷媒量の推定結果を用いて算出する。
Therefore, in the present embodiment, the temperature of the
振幅位相決定部として動作する高周波通電部13において、加熱指令部29は冷媒量推定部14からの冷媒量の推定結果、及び冷媒量判定部30から冷媒量の判定結果に基づいて加熱出力を決定する。冷媒量推定部14による冷媒量の推定方法の例については後述する。
In the high-
本実施の形態のヒートポンプ装置においては、冷媒量を推定し、必要な発熱量が得られるように、冷媒量の推定結果に基づいて加熱指令部29が高周波位相指令θkを生成・出力して圧縮機1を安定的に加熱する。これにより、冷媒量に対応する加熱出力を得るための電圧位相θkが設定できる。また、冷媒量に応じて電圧位相および電圧指令値を調整することにより、省エネルギーを実現しつつ使用者の所望する加熱性能を提供できる。
In the heat pump device of the present embodiment, the
加熱指令部29は、冷媒量推定部14(冷媒量判定部28)からの推定信号(冷媒量の推定結果)を基にモータ8に通電するための電圧位相θkを求める。たとえば、モータ8の0°の位置に対応する巻線に通電させる場合には、θk=0を出力する。ただし、固定値で連続通電を行った場合、モータ8の特定部分のみが発熱する恐れがあるため、時間の経過と共にθkを変化させるようにしてもよい。
The
前述の通り、冷媒量を推定することができれば、必要なだけの加熱を行うことにより液冷媒を排出可能となる。推定結果に応じた出力で通電させることにより、圧縮機1内の液冷媒を確実に排出可能となり、装置の信頼性が向上する。また、冷媒量が少ない場合には出力を調節することにより省エネルギーとなる。
As described above, if the amount of refrigerant can be estimated, the liquid refrigerant can be discharged by performing heating as much as necessary. By energizing with the output according to the estimation result, the liquid refrigerant in the
また、加熱指令部29は必要加熱量に基づいて、発熱に必要な電圧指令V*を出力する。たとえば必要加熱量と電圧指令V*の関係をテーブルデータとしてあらかじめ記憶しておくことにより、必要加熱量に応じた電圧指令V*を得ることができる。必要加熱量は使用者によって指定される情報である。
Further, the
高周波通電部13は、電圧センサ36で検出された母線電圧Vdcと加熱指令部29から入力された電圧指令V*に基づいて、高周波電圧指令Vkを生成する。高周波電圧指令Vkは、電圧指令V*と母線電圧Vdcを用いて次式で表される。
Vk = V*×√2/VdcThe high
Vk = V * × √2 / Vdc
なお、高周波電圧指令Vkは、周囲温度検知部31や温度センサ35a,35bからの温度情報、圧縮機構造上などのデータを考慮し、これらのデータに基づいて補正するようにしてもよい。このように補正することで、動作環境に応じたより正確な値を得ることができ、信頼性を向上させることが可能である。
Note that the high-frequency voltage command Vk may be corrected based on these data in consideration of temperature information from the
また、高周波電流の駆動周波数を高く設定することで、角周波数ωを高くすることができる。ωが高くなることにより鉄損が増加し発熱量が増加するため、省エネルギー化が可能となる。なお、人間の可聴域に含まれる周波数で高周波通電を行うと、モータ8の電磁音により騒音が発生するため、可聴域外(例えば20kHz以上)に設定する。なお、高周波電流の周波数、位相、振幅のうち少なくともいずれか1つを使用者からの入力により設定可能とすることができる。
In addition, the angular frequency ω can be increased by setting the driving frequency of the high-frequency current high. As ω increases, the iron loss increases and the amount of heat generation increases, so that energy saving can be achieved. Note that when high-frequency energization is performed at a frequency included in the human audible range, noise is generated by the electromagnetic sound of the
続いて、駆動信号生成部15がインバータ部9の駆動信号としてPWM信号を生成する動作について説明する。
Next, an operation in which the drive
PWM信号を生成する駆動信号生成部15においては、まず、電圧指令値生成部25が、高周波電圧指令Vkおよび位相指令θkに基づいて電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を生成する。
In the drive
モータ8は三相モータであるが、三相モータの場合、一般的にU,V,Wの三相の位相は互いに120°(=2π/3)異なる。そのため、電圧指令値生成部25は、Vu*,Vv*,Vw*として、以下の式(1)〜(3)に示したような、位相が2π/3ずつ異なる余弦波(正弦波)のV*およびθに高周波電圧指令Vkおよび電圧位相θkをそれぞれ代入して各相の電圧指令値を生成する。
Vu*=V*×cosθ …(1)
Vv*=V*×cos(θ−(2π/3)) …(2)
Vw*=V*×cos(θ+(2π/3)) …(3)Although the
Vu * = V * × cos θ (1)
Vv * = V * × cos (θ− (2π / 3)) (2)
Vw * = V * × cos (θ + (2π / 3)) (3)
電圧指令値生成部25により電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*が生成されると、次に、PWM信号生成部24が、電圧指令値生成部25から入力された電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*と、所定の周波数で振幅Vdc/2のキャリア信号(基準信号)とを比較し、相互の大小関係に基づきPWM信号UP,VP,WP,UN,VN,WNを生成する。
When the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * are generated by the voltage command
なお、上記の式(1)〜(3)では、単純な三角関数で電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を求めるようにしたが、その外に二相変調や、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調といった手法によって電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を求めるようにしても構わない。 In the above equations (1) to (3), the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * are obtained by a simple trigonometric function. However, two-phase modulation and third-order harmonic superposition modulation are also used. The voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * may be obtained by a technique such as space vector modulation.
PWM信号生成部24によるPWM信号の生成方法について詳しく説明する。U相,V相,W相の各相に対応するPWM信号の生成方法は同一であるため、ここでは、一例として、U相のPWM信号UPおよびUNの生成方法を説明する。
A method for generating a PWM signal by the PWM
図3は、PWM信号生成部24の一相分の信号生成方法を示す図であり、U相のPWM信号を生成する方法を示している。図3に示した三角波がキャリア信号、正弦波が電圧指令値Vu*である。図3に示した信号生成方法は一般に非同期PWMと称される手法に相当する。PWM信号生成部24は、電圧指令値Vu*と所定の周波数で振幅Vdc/2(Vdcは直流母線電圧を示す)のキャリア信号を比較し、相互の大小関係に基づきPWM信号UPおよびUNを生成する。すなわち、キャリア信号が電圧指令値Vu*よりも大きいときは、UPをON,UNをOFFとし、それ以外はUPをOFF,UNをONにする。なお、キャリア信号の振幅,位相は固定とする。
FIG. 3 is a diagram illustrating a signal generation method for one phase of the PWM
図4は、実施の形態1における8通りのスイッチングパターンを示す図である。なお、図4では、各スイッチングパターンで発生する電圧ベクトルをV0〜V7としている。また、各電圧ベクトルの電圧の方向を±U、±V、±W(電圧が発生しない場合には0)で表している。ここで、+Uとは、U相を介してモータ8へ流入し、V相及びW相を介してモータ8から流出するU相方向の電流を発生させる電圧であり、−Uとは、V相及びW相を介してモータ8へ流入し、U相を介してモータ8から流出する−U相方向の電流を発生させる電圧である。±V、±Wについても同様である。
FIG. 4 is a diagram showing eight switching patterns in the first embodiment. In FIG. 4, voltage vectors generated in each switching pattern are V0 to V7. The voltage direction of each voltage vector is represented by ± U, ± V, ± W (0 if no voltage is generated). Here, + U is a voltage that generates a current in the U-phase direction that flows into the
図4に示すスイッチングパターンを組み合わせて電圧ベクトルを出力することでインバータ部9に所望の電圧を出力させることができる。圧縮機1内の冷媒をモータ8にて圧縮する動作(通常運転モードの動作)の場合には数10〜数kHz以下で動作することが一般的である。このときにθkを高速で変化させることにより、数kHzを超える高調波電圧を出力し、圧縮機1に通電し加熱(加熱運転モード)することが可能となる。
The
ただし、一般的なインバータの場合、キャリア信号の周波数であるキャリア周波数はインバータのスイッチング素子のスイッチングスピードにより上限が決まっているため、キャリア周波数以上の高周波電圧を出力することは困難である。なお、一般的なIGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)の場合、スイッチングスピードの上限が20kHz程度である。また、高周波電圧の周波数がキャリア周波数の1/10程度になると、高周波電圧の波形出力精度が悪化し、直流成分が重畳するなどの悪影響を及ぼす恐れがある。すなわち、キャリア周波数を20kHzとした場合に高周波電圧の周波数をキャリア周波数の1/10の2kHz以下とすると、高周波電圧の周波数は可聴周波数領域となり、騒音悪化が懸念される。そのため、PWM信号生成部24は、以下に示す方法でキャリア信号に同期したPWM信号を生成するようにして、騒音悪化を回避する。
However, for a typical inverter, the carrier frequency is the frequency of the carrier signal for the upper limit is determined by the switching speed of the switching elements of the inverter, it is difficult to output a career frequency or high-frequency voltage. In the case of a general IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor), the upper limit of the switching speed is about 20 kHz. Moreover, when the frequency of the high frequency voltage is about 1/10 of the carrier frequency, the waveform output accuracy of the high frequency voltage is deteriorated, and there is a risk of adverse effects such as superposition of a direct current component. That is, when the carrier frequency is 20 kHz and the frequency of the high-frequency voltage is set to 2 kHz, which is 1/10 of the carrier frequency, the frequency of the high-frequency voltage is in the audible frequency range, and there is a concern about noise deterioration. Therefore, the PWM
図5は、V*を任意の値とし、加熱指令部29が出力する高周波位相指令θkとして0°と180°を切り替える場合のPWM信号の一例を示す図である。PWM信号生成部24は、高周波位相指令θkがキャリア信号(三角波)の頂もしくは底(または、頂および底)のタイミングで0°と180°の間で切り替えることで、キャリア信号に同期したPWM信号を生成できる。このとき、電圧ベクトルはV0(UP=VP=WP=0)、V4(UP=1、VP=WP=0)、V7(UP=VP=WP=1)、V3(UP=0、VP=WP=1)、V0(UP=VP=WP=0)、…、の順で変化する。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a PWM signal when V * is an arbitrary value and the high-frequency phase command θk output from the
図6は、図5に示した動作に対応する電圧ベクトル変化の説明図である。なお、図6では破線で囲まれたスイッチング素子がオン、破線で囲まれていないスイッチング素子がオフの状態であることを表している。図6に示すようにV0ベクトル,V7ベクトル印加時はモータ8の線間は短絡状態となり、電圧が出力されない。この場合、モータ8のインダクタンスに蓄えられたエネルギーが電流となって短絡回路中を流れる。また、V4ベクトル印加時には、U相を介してモータ8へ流入し、V相およびW相を介してモータ8から流出するU相方向の電流(+Iuの電流)が流れ、V3ベクトル印加時には、V相およびW相を介してモータ8へ流入し、U相を介してモータ8から流出する−U相方向の電流(−Iuの電流)がモータ8の巻線に流れる。つまり、V4ベクトル印加時と、V3ベクトル印加時とでは逆方向の電流がモータ8の巻線に流れる。そして、電圧ベクトルがV0、V4、V7、V3、V0、…の順で変化するため、+Iuの電流と−Iuの電流とが交互にモータ8の巻線に流れることになる。特に、図6に示すように、V4ベクトルとV3ベクトルとが1キャリア周期(1/fc)の間に現れるため、キャリア周波数fcに同期した交流電圧をモータ8の巻線に印加することが可能となる、また、V4ベクトル(+Iuの電流)とV3ベクトル(−Iuの電流)とが交互に出力されるため、正逆のトルクが瞬時に切り替わる。そのため、トルクが相殺されることによりロータの振動を抑えた制御が可能となる。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a voltage vector change corresponding to the operation shown in FIG. In FIG. 6, the switching elements surrounded by broken lines are turned on, and the switching elements not surrounded by broken lines are turned off. As shown in FIG. 6, when the V0 vector and the V7 vector are applied, the lines of the
次に、インバータ制御部10の動作について説明する。ここでは、圧縮機1を加熱する加熱運転モードで動作する場合におけるインバータ部9の制御動作について説明する。なお、ヒートポンプ装置100が通常運転モードで動作する場合におけるインバータ部9の制御動作は従来と同様であるため説明を省略する。
Next, the operation of the
図7は、実施の形態1のヒートポンプ装置100が備えているインバータ制御部10の動作例を示すフローチャートであり、加熱運転モード時の制御手順を示している。すなわち、加熱運転モード制御部12および駆動信号生成部15がインバータ部9の駆動信号としてPWM信号を生成する場合の制御手順を示している。
FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation example of the
図8は、圧縮機1が備えている温度センサ35a,35bからの出力、及び圧縮機1の温度変化の様子を示した図である。図8の上側の図は、横軸に加熱開始からの時間(経過時間)tを示し、圧縮機1の上部に設置されている上段サーミスタ(温度センサ35a)と圧縮機1の下部に設置されている下段サーミスタ(温度センサ35b)の温度を示している。図8の下側の図では、色の濃淡で温度を示しており色の濃いほど高い温度を示している。図8に示すように、圧縮機1は熱容量が比較的大きいため加熱前の停止状態において温度均一状態にあり、各温度センサの検出値間の差分はほぼ存在しない。しかし、圧縮機1ではモータ8が上部に設置されていることから、加熱を開始した場合には、先ず、上部の温度が先行して上昇する。続いて下部の温度が追従して上昇していき、一定時間経過後に、温度センサ35a,35bの差分がまた無くなっていくことがわかる。
FIG. 8 is a diagram illustrating the output from the
本実施の形態では、このような圧縮機1の温度変化を使用し、冷媒量を正確に推定し適切な加熱を行う。例えば、温度センサ35a,35bの検出結果間の差分を温度差βとし、温度センサ35a,35bにより得られる初期温度(加熱運転モード開始時の温度)をT0とし、温度センサ35a,35bにより得られる温度と初期温度T0との差をγとするとき、β、γを用いて冷媒量を推定することができる。βが小さく、またγが小さい場合には、加熱運転モード開始時に近い状態であり、冷媒量が多いと判断できる。βが大きくなるにつれて冷媒量が減少するが、ある程度加熱開始から時間が経過するとβは減少する。一方、γは加熱開始から時間が経過するほど増加する。図8に示すこのような関係を元に、β、γの値と冷媒量の推定量との関係を条件式やテーブル形式で保持しておき、β、γの値に対応する冷媒量の推定量を求めることができる。In the present embodiment, such a temperature change of the
また、β、γではなく、温度センサ35a,35bが検知する温度と冷媒量の推定量との関係を条件式やテーブル形式で保持し、温度センサ35a,35bの検知結果に基づいて冷媒量の推定量を求めるようにしてもよい。さらに、冷媒量の推定という中間処理をはさまずに、温度センサ35a,35bの値とインバータ部9の出力(例えば、高周波位相指令θk)との関係を保持しておき、温度センサ35a,35bの検出結果に基づいて高周波位相指令θkを直接求めるようにしてもよい。
In addition, instead of β and γ, the relationship between the temperature detected by the
図7、図8を用いて本実施の形態の加熱運転モード時の制御手順の一例を説明する。インバータ制御部10の加熱運転モード制御部12は、まず、待機状態であり、加熱運転モードへの移行を判断するための情報が検出されたか否かを判断する(ステップS1)。加熱運転モードへの移行が必要か否かを判定するための情報は、例えば、周囲温度検知部31や圧縮機1の温度センサ35a,35bからの情報、及び運転指令が外部から入力されたか否かの情報などである。加熱運転モードへの移行を判断するための情報が検出された場合(ステップS1 Yes)、加熱運転モード制御部12は、取得した情報に基づいて加熱運転モードへの移行が必要か否かを判断する(ステップS2)。ステップS2では、例えば、所定の運転指令(ヒートポンプ装置100の動作開始指令)が外部から入力され、かつその時点で冷媒寝込み現象の発生が予測される場合(例えば、周囲の環境温度の傾きが閾値以上だった場合)に加熱運転モードでの動作が必要と判断する。
An example of the control procedure in the heating operation mode of the present embodiment will be described with reference to FIGS. First, the heating operation
加熱運転モードへの移行を判断するための情報が検出されない(加熱運転モードでの動作が必要ない)場合(ステップS1 No)、またステップS2の判断で加熱運転モードへの移行が必要無いと判断された場合(ステップS2 No)、ステップS1へ戻る。 When information for determining the transition to the heating operation mode is not detected (no operation in the heating operation mode is necessary) (No in step S1), it is determined that the transition to the heating operation mode is not necessary in the determination in step S2. If so (No in step S2), the process returns to step S1.
加熱運転モードへの移行が必要であると判断した場合(ステップS2 Yes)、モータ8の入出力電流および電圧を検知し、加熱運転モード開始する(ステップS3)。そして、駆動信号生成部15は、加熱運転モード制御部12から出力されるθk、Vkに基づいて電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を生成して出力する(ステップS4)。そして、駆動信号生成部15は、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に基づいてPWM信号(UP,UN,VP,VN,WP,WN)を生成して出力し(ステップS5)、インバータ部9を制御する。なお、入出力電流および電圧とは、インバータ部9とモータ8の接続点で検出される電流および電圧(三相分)である。
When it is determined that it is necessary to shift to the heating operation mode (Yes in Step S2), the input / output current and voltage of the
次に、加熱運転モード制御部12の冷媒量推定部14は、温度センサ35a,35bからの信号として、初期温度T0を検出する(ステップS6)。ここでは、加熱運転モード開始時には温度センサ35a,35bか示し温度は一致しているとするが、温度が異なる場合には、初期温度T0として平均値を用いてもよいし、いずれか一方の温度を初期温度T0としてもよい。Next, the refrigerant
そして、加熱指令部29は、加熱制御モードの開始から一定時間αの間は、加熱運転モードを維持する(ステップS7)。なお、例えば、加熱制御モードの開始から一定時間αは、冷媒量の推定結果等に関わらず、加熱を実施するよう加熱指令部29に設定しておく。
Then, the
加熱制御モードの開始から一定時間α経過すると、冷媒量推定部14は、温度センサ35a,35b(上下段サーミスタ)の検出結果間の差分である温度差βを算出する(ステップS8)。そして、初期温度T0との温度センサ35a,35bの検出結果との差分γを算出し(ステップS9)、これら情報を基に、温度差βが閾値以下でありかつ温度差βがγ以下であるかを判定する(ステップS10)。なお、差分γは、図8の例では、温度センサ35a,35bのうち低い方の温度とT0との差としている。When a certain time α has elapsed from the start of the heating control mode, the refrigerant
温度差βが閾値以下である場合は、温度センサ35a,35bの検出結果間の温度センサの差分が少ないことを示しており、図8の右端または、左端の時間帯にあると考えられる。また温度差βがγ以下である場合は一定時間以上の時間が経過しており図8の中央付近の時間帯、もしくは右端の時間帯にあると考えられる。これら2条件のうち少なくともいずれか一方を満たしていない場合は、まだ寝込み冷媒が解消されていない左端、もしくは中央の時間帯にあると考え、加熱運転(加熱運転モード)を継続する。これら2条件の両方を満たしている場合は、図8の右端の時間帯にあると判断でき、寝込み冷媒が解消されている(液面が十分に低い)と考えられる。なお、加熱運転モードでは、上述のようにβとγに基づいてθkを決定して制御することにより、効率的な加熱を実施することができる。
When the temperature difference β is equal to or smaller than the threshold value, it indicates that the temperature sensor difference between the detection results of the
したがって、冷媒量推定部14は、上記2条件に基づいて冷媒量(冷媒状態)の推定結果として、寝込み冷媒が解消されているか否かを加熱指令部29に出力し、加熱指令部29は、入力された推定結果に基づいて、加熱運転モードを継続するか否かを判断する。
Therefore, the refrigerant
すなわち、冷媒量推定部14により温度差βが閾値以下でありかつ温度差βがγ以下であると判断された場合(ステップS10 Yes)、加熱指令部29は加熱運転を停止し(ステップS11)、ステップS1へ戻る。
That is, when the refrigerant
冷媒量推定部14により温度差βが閾値以下でない、または温度差βがγ以下でないと判断された場合(ステップS10 No)、ステップS8へ戻り、加熱運転を継続する。
When it is determined by the refrigerant
このように、本実施の形態のヒートポンプ装置において、インバータ制御部10は、圧縮機1が備えている温度センサ35a,35bの検出結果から冷媒量を推定し推定結果および必要発熱量に基づいて電圧位相を決定し、PWM信号を生成してインバータ部9を制御することとした。これにより、圧縮機1の冷媒量を正確に検知することができ、必要十分量のみの加熱により圧縮機1に滞留した液冷媒を外部に漏出可能とする。すなわち、安定的かつ効率的に圧縮機1を加熱することができる。
Thus, in the heat pump device of the present embodiment, the
加えて、加熱運転モード制御部12が、可聴周波数(20〜20kHz)外の高周波電圧がモータ8に印加されるようにインバータ部9を制御すると、モータ8を加熱する際の騒音を抑えることができる。
In addition, if the heating operation
一般に、圧縮機動作時の運転周波数は高々1kHz程度である。そのため、1kHz以上の高周波電圧をモータ8に印加すればよい。このとき、14kHz以上の電圧をモータ8に印加すれば、モータ8の鉄心の振動音がほぼ可聴周波数上限に近づくため、騒音の低減も可能となる。たとえば、可聴周波数外の20kHz程度の高周波電圧となるようにすればよい。
Generally, the operating frequency when the compressor is operating is at most about 1 kHz. Therefore, a high frequency voltage of 1 kHz or higher may be applied to the
ただし、高周波電圧の周波数はスイッチング素子21a〜21fの最大定格周波数を超えると素子破壊を起こし、負荷、もしくは電源短絡を起こし、発煙や発火に至る可能性があるため、高周波電圧の周波数は最大定格周波数以下に設定し信頼性を確保する。
However, if the frequency of the high-frequency voltage exceeds the maximum rated frequency of the
また、周波数10kHz、出力50Wを超える加熱機器の場合、電波法百条による制約があるため、事前に50Wを超えないように電圧指令の振幅の調整や、流れる電流を検出して50W以下となるようにフィードバックすることで、電波法を遵守した圧縮機1の加熱が可能となる。
In addition, in the case of a heating device with a frequency exceeding 10 kHz and an output of 50 W, there is a restriction by the
また、本実施の形態では、温度センサ35a,35bにより検出した温度に基づいて冷媒量を推定したが、温度センサ35a,35bの代わりに漏洩電流を測定する電流計や、抵抗値を測定するための絶縁抵抗センサや粘度を測定する粘度センサ等を圧縮機1に設置することにより液面を検知して、冷媒量を推定するようにしてもよい。
In the present embodiment, the refrigerant amount is estimated based on the temperatures detected by the
実施の形態2.
次に、本発明にかかる実施の形態2のヒートポンプ装置について説明する。なお、本実施の形態のヒートポンプ装置の構成は実施の形態1と同様である。実施の形態1と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態1と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
Next, a heat pump device according to a second embodiment of the present invention will be described. The configuration of the heat pump apparatus of the present embodiment is the same as that of the first embodiment. Components having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.
図9は、シリコンデバイス(以下、Siデバイス)とSiCデバイスの耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。図9を用いて実施の形態2のヒートポンプ装置を説明する。本実施の形態のヒートポンプ装置は、図2に示したスイッチング素子21a〜21fをシリコンカーバイドデバイス(以下、SiCデバイス)のスイッチング素子としたものである。現在、一般的には珪素(Si)を材料とする半導体を用いるのが主流である。Siデバイスと比較してSiCデバイスではバンドギャップが大きく、大幅に耐圧とオン抵抗のトレードオフを改善できることが知られている。例えば、現在のSiデバイスを使った誘導加熱調理器では冷却装置や放熱フィンが必須とされているが、ワイドバンドギャップ半導体デバイスであるSiCデバイスを用いることにより大幅に素子損失が低減可能であり、従来の冷却装置や放熱フィンの小型化または削除が可能となる。SiC以外のワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドがある。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the breakdown voltage and the on-resistance of the silicon device (hereinafter referred to as Si device) and the SiC device. The heat pump apparatus of
上記のようにスイッチング素子を従来のSiデバイスからSiCデバイスに変更することで大幅な低損失化が可能となり、冷却装置や放熱フィンの小型化、または削除が可能となり、装置自体の大幅な低コスト化ができる。また、高周波でのスイッチングが可能となることで、モータ8に更に高周波の電流を流すことが可能となり、モータ8の巻線インピーダンス増加による巻線電流低減によりインバータ部9に流入する電流を低減し、より高効率なヒートポンプ装置を得ることが可能となる。高周波化することにより人間の可聴域である16kHz以上の高周波に駆動周波数を設定することが可能となり、騒音対策がしやすいといった利点もある。
By changing the switching element from the conventional Si device to the SiC device as described above, it is possible to significantly reduce the loss, and it is possible to reduce the size of the cooling device and the heat radiating fins, or to delete the device. Can be made. In addition, since switching at a high frequency is possible, it is possible to allow a higher frequency current to flow through the
また、SiCを使用した場合、従来のSiに比べ低損失で電流を格段に多く流すことができるため、冷却フィンを小型化するなどの効果を得ることができる。本実施の形態ではSiCデバイスを例に説明したが、SiCに代えてダイヤモンドやガリウムナイトライド(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体デバイスを用いても同様であることは、当業者にとっては明らかである。なお、インバータが備えている各スイッチング素子のダイオードのみをワイドバンドギャップ半導体としてもよい。また、複数存在しているスイッチング素子のうちの一部(少なくとも1つ)をワイドバンドギャップ半導体で形成するようにしてもよい。一部の素子にワイドバンドギャップ半導体を適用した場合にも上述した効果を得ることができる。 In addition, when SiC is used, an electric current can be made to flow much more with a lower loss than conventional Si, so that an effect such as downsizing of the cooling fin can be obtained. Although the SiC device has been described as an example in the present embodiment, it is obvious to those skilled in the art that a wide band gap semiconductor device such as diamond or gallium nitride (GaN) is used instead of SiC. . Only the diode of each switching element provided in the inverter may be a wide band gap semiconductor. A part (at least one) of the plurality of switching elements may be formed of a wide band gap semiconductor. The effects described above can also be obtained when a wide band gap semiconductor is applied to some elements.
また、実施の形態1および2では、スイッチング素子として主にIGBTを用いた場合を想定しているが、スイッチング素子はIGBTに限定されるものではなく、スーパージャンクション構造のパワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やその他の絶縁ゲート半導体装置、バイポーラトランジスタでも同様であることは当業者にとっては明らかである。 In the first and second embodiments, it is assumed that an IGBT is mainly used as the switching element. However, the switching element is not limited to the IGBT, and a power MOSFET (Metal-Oxide-) having a super junction structure is used. It will be apparent to those skilled in the art that the same applies to semiconductor field-effect transistors), other insulated gate semiconductor devices, and bipolar transistors.
実施の形態3.
図10は、本発明にかかるヒートポンプ装置の実施の形態3の構成例を示す図である。本実施の形態では、実施の形態1、2で説明したヒートポンプ装置を空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、冷凍機等に搭載する際の構成および動作の一例について説明する。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a third embodiment of the heat pump device according to the present invention. In this embodiment, an example of a configuration and an operation when the heat pump device described in
図11は、図10に示したヒートポンプ装置の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図11において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。 FIG. 11 is a Mollier diagram of the state of the refrigerant in the heat pump apparatus shown in FIG. In FIG. 11, the horizontal axis represents specific enthalpy and the vertical axis represents refrigerant pressure.
本実施の形態のヒートポンプ装置において、圧縮機51、熱交換器52、膨張機構53、レシーバ54、内部熱交換器55、膨張機構56および熱交換器57は、配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路58を構成している。なお、主冷媒回路58において、圧縮機51の吐出側には、四方弁59が設けられ、冷媒の循環方向が切り替え可能となっている。また、熱交換器57の近傍には、ファン60が設けられる。また、圧縮機51は、上記実施の形態1、2で説明した圧縮機1であり、インバータ部9によって駆動されるモータ8と圧縮機構7とを有する圧縮機である(図1参照)。さらに、ヒートポンプ装置は、レシーバ54と内部熱交換器55との間から、圧縮機51のインジェクションパイプまでを配管により繋ぐインジェクション回路62を備える。インジェクション回路62には、膨張機構61、内部熱交換器55が順次接続されている。熱交換器52には、水が循環する水回路63が接続される。なお、水回路63には、給湯器、床暖房等の放熱器等の水を利用する装置が接続される。
In the heat pump device of the present embodiment, the
上記構成のヒートポンプ装置の動作について説明する。まず、暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁59は実線方向に設定される。なお、この暖房運転には、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。
The operation of the heat pump apparatus having the above configuration will be described. First, the operation during heating operation will be described. During the heating operation, the four-
圧縮機51で高温高圧となった気相冷媒(図11の点A)は、圧縮機51から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器52で熱交換されて液化する(図11の点B)。このとき、冷媒から放熱された熱により、水回路63を循環する水が温められ、暖房や給湯に利用される。
The gas-phase refrigerant (point A in FIG. 11) that has become high-temperature and high-pressure in the
熱交換器52で液化された液相冷媒は、膨張機構53で減圧され、気液二相状態になる(図11の点C)。膨張機構53で気液二相状態になった冷媒は、レシーバ54で圧縮機51へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される(図11の点D)。レシーバ54で液化された液相冷媒は、主冷媒回路58と、インジェクション回路62とに分岐して流れる。
The liquid-phase refrigerant liquefied by the
主冷媒回路58を流れる液相冷媒は、インジェクション回路62を流れる冷媒(膨張機構61で減圧され気液二相状態となった冷媒)と内部熱交換器55で熱交換されて、さらに冷却される(図11の点E)。内部熱交換器55で冷却された液相冷媒は、膨張機構56で減圧されて気液二相状態になる(図11の点F)。膨張機構56で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器57で外気と熱交換され、加熱される(図11の点G)。そして、熱交換器57で加熱された冷媒は、レシーバ54でさらに加熱され(図11の点H)、圧縮機51に吸入される。
The liquid-phase refrigerant that flows through the main
一方、インジェクション回路62を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構61で減圧されて(図11の点I)、内部熱交換器55で熱交換される(図11の点J)。内部熱交換器55で熱交換された気液二相状態の冷媒(インジェクション冷媒)は、気液二相状態のまま圧縮機51のインジェクションパイプから圧縮機51内へ流入する。
On the other hand, as described above, the refrigerant flowing through the
圧縮機51では、主冷媒回路58から吸入された冷媒(図11の点H)が、中間圧まで圧縮、加熱される(図11の点K)。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒(図11の点K)に、インジェクション冷媒(図11の点J)が合流して、温度が低下する(図11の点L)。そして、温度が低下した冷媒(図11の点L)が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される(図11の点A)。
In the
なお、インジェクション運転を行わない場合には、膨張機構61の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、膨張機構61の開度が所定の開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、膨張機構61の開度を所定の開度より小さくする。これにより、圧縮機51のインジェクションパイプへ冷媒が流入しない。なお、膨張機構61の開度は、マイクロコンピュータ等を利用した電子制御により制御される。
When the injection operation is not performed, the opening degree of the
次に、ヒートポンプ装置100の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁59は破線方向に設定される。なお、この冷房運転には、空調で使われる冷房だけでなく、水から熱を奪って冷水を作ることや、冷凍等も含む。
Next, the operation | movement at the time of the cooling operation of the
圧縮機51で高温高圧となった気相冷媒(図11の点A)は、圧縮機51から吐出されると四方弁59を経由して熱交換器57側に流れていき、凝縮器であり放熱器となる熱交換器57で熱交換されて液化する(図11の点B)。熱交換器57で液化された液相冷媒は、膨張機構56で減圧され、気液二相状態になる(図11の点C)。膨張機構56で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器55において、インジェクション回路62を流れる冷媒と熱交換され、冷却されて液化される(図11の点D)。内部熱交換器55では、膨張機構56で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器55で液化された液相冷媒を膨張機構61で減圧させて気液二相状態になった冷媒(図11の点I)とを熱交換させている。内部熱交換器55で熱交換された液相冷媒(図11の点D)は、主冷媒回路58と、インジェクション回路62とに分岐して流れる。
The gas-phase refrigerant (point A in FIG. 11) that has become high temperature and pressure in the
主冷媒回路58を流れる液相冷媒は、レシーバ54で圧縮機51に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される(図11の点E)。レシーバ54で冷却された液相冷媒は、膨張機構53で減圧されて気液二相状態になる(図11の点F)。膨張機構53で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器52で熱交換され、加熱される(図11の点G)。このとき、冷媒が吸熱することにより、水回路63を循環する水が冷やされ、冷房や冷凍に利用される。そして、熱交換器52で加熱された冷媒は、四方弁59を経由してレシーバ54へ流入し、そこでさらに加熱され(図11の点H)、圧縮機51に吸入される。
The liquid-phase refrigerant flowing through the main
一方、インジェクション回路62を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構61で減圧され(図11の点I)、内部熱交換器55で熱交換される(図11の点J)。内部熱交換器55で熱交換された気液二相状態の冷媒(インジェクション冷媒)は、気液二相状態のまま圧縮機51のインジェクションパイプから圧縮機51内へ流入する。圧縮機51内での圧縮動作については、上述した暖房運転時と同様である。
On the other hand, as described above, the refrigerant flowing through the
なお、インジェクション運転を行わない際には、上述した暖房運転時と同様に、膨張機構61の開度を全閉にして、圧縮機51のインジェクションパイプへ冷媒が流入しないようにする。
When the injection operation is not performed, the opening degree of the
また、上記説明では、熱交換器52は、冷媒と、水回路63を循環する水とを熱交換させるプレート式熱交換器のような熱交換器であるとして説明した。しかし、熱交換器52は、これに限らず、冷媒と空気を熱交換させるものであってもよい。また、水回路63は、水が循環する回路ではなく、他の流体が循環する回路であってもよい。
In the above description, the
以上のように、実施の形態1、2で説明したヒートポンプ装置は、空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、冷凍機等のインバータ圧縮機を用いたヒートポンプ装置に利用することができる。
As described above, the heat pump apparatus described in
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、冷媒寝込み現象を効率的に解消させ省電力化を図るヒートポンプ装置に有用である。 As described above, the heat pump device according to the present invention is useful for a heat pump device that efficiently eliminates the refrigerant stagnation phenomenon and saves power.
1,51 圧縮機
2,59 四方弁
3,5,52,57 熱交換器
4,53,56,61 膨張機構
6 冷媒配管
7 圧縮機構
8 モータ
9 インバータ
10 インバータ制御部
11 通常運転モード制御部
12 加熱運転モード制御部
13 高周波通電部
14 冷媒量推定部
15 駆動信号生成部
21a〜21f スイッチング素子
24 PWM信号生成部
25 電圧指令値生成部
27 温度検出回路部
28 冷媒量判定部
29 加熱指令部
30 冷媒量判定部(加熱運転開始時)
31 周囲温度検知部
35a,35b 温度センサ
36 電圧センサ
54 レシーバ
55 内部熱交換器
58 主冷媒回路
60 ファン
62 インジェクション回路
63 水回路
100 ヒートポンプ装置DESCRIPTION OF
31
Claims (11)
前記モータを駆動する電圧を印加するインバータと、
前記圧縮機の温度を検知する複数の温度センサと、
を備え、
前記圧縮機を通常運転して冷媒を圧縮する通常運転モードと、前記モータへ前記通常運転モードより高周波数の電圧を印加することにより前記圧縮機を加熱運転する加熱運転モードとを有し、前記加熱運転モードにおいて、前記複数の温度センサにより検知された温度に応じて前記電圧を生成するヒートポンプ装置。 A compressor having a compression mechanism for compressing the refrigerant and a motor for driving the compression mechanism;
An inverter for applying a voltage for driving the motor;
A plurality of temperature sensors for detecting the temperature of the compressor,
With
A normal operation mode in which the compressor is normally operated to compress the refrigerant, and a heating operation mode in which the compressor is heated by applying a voltage having a higher frequency than the normal operation mode to the motor. A heat pump device that generates the voltage in accordance with temperatures detected by the plurality of temperature sensors in a heating operation mode.
前記モータを駆動する電圧を印加するインバータと、 An inverter for applying a voltage for driving the motor;
前記圧縮機の温度または外気温度を検知する温度センサと、 A temperature sensor for detecting a temperature of the compressor or an outside air temperature;
を備え、 With
前記圧縮機を通常運転して冷媒を圧縮する通常運転モードと、前記モータへ前記通常運転モードより高周波数の電圧を印加することにより前記圧縮機を加熱運転する加熱運転モードとを有し、前記加熱運転モードにおいて、前記温度センサにより検知された温度に応じて前記電圧の位相を決定するヒートポンプ装置。 A normal operation mode in which the compressor is normally operated to compress the refrigerant, and a heating operation mode in which the compressor is heated by applying a voltage having a higher frequency than the normal operation mode to the motor. A heat pump device that determines a phase of the voltage according to a temperature detected by the temperature sensor in a heating operation mode.
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